[이미디어= 황원희 기자] 중국 베이징의 칭화대학교(Tsinghua University) 연구진이 수소와 일산화탄소 혼합가스만으로 플라스틱과 고무의 원료를 직접 생산하는 새로운 공정을 개발했다. 석유 기반 원료에 대한 의존도를 줄이고, 관련 산업의 탄소 배출을 크게 낮출 수 있는 기술로 주목받고 있다.

현재 널리 사용되는 플라스틱·고무 제품의 상당수는 석유에서 뽑아낸 올레핀(olefin) 계열 유기화합물을 기반으로 만들어진다. 이 때문에 플라스틱·고무 산업 전체의 탄소발자국이 커질 수밖에 없다는 지적이 이어져 왔다.

이에 대한 대안으로 석탄·바이오매스·천연가스 등에서 얻은 합성가스(syngas·수소와 일산화탄소 혼합가스)를 활용하는 방법이 제시돼 왔지만, 그동안은 기존 석유 기반 공정보다 효율이 떨어지는 한계가 있었다.

연구진은 이번에 합성가스에서 올레핀을 생산하는 반응을 촉진하는 새로운 촉매 시스템을 설계해 이러한 한계를 극복했다고 밝혔다. 특히 철(Fe) 기반 촉매를 활용해 합성가스로부터 올레핀을 만드는 효율을 기존 최고 수준 대비 약 50%까지 끌어올렸다.

연구팀은 반응 효율을 평가하기 위해 ‘수소 원자 경제성(Hydrogen Atom Economy·HAE)’이라는 지표를 사용했다. 이는 투입된 수소 원자가 최종 제품 생성에 얼마나 효율적으로 쓰였는지를 보여주는 개념으로, 수치가 높을수록 제품 생산량은 많고 폐기물은 적다는 의미다.

기존 합성가스 전환 공정에서는 반응 과정에서 물(H₂O)이 부산물로 많이 생성되면서, 원래 올레핀 생산에 쓰일 수 있었던 수소가 물 형태로 빠져나가 HAE가 낮게 나타나는 문제가 있었다.

하지만 연구진이 개발한 촉매는 반응 도중 생기는 물을 다시 분해해 수소를 추가로 만들어내고, 이 수소를 곧바로 올레핀 생성 반응에 재투입함으로써 전체 효율을 크게 높이는 역할을 한다.

사이언스지에 논문을 게재한 연구진은 “이번 연구는 합성가스 전환 과정에서 수소 원자 경제성을 획기적으로 개선한 성과”라고 평가했다. 특히 나트륨으로 조정된 철 기반 나노입자(iron-shell nanoparticle) 촉매를 사용해, 기존 공정에서 버려지던 물을 즉시 수소로 바꾸고 이를 다시 올레핀 생산에 활용할 수 있었다고 설명했다.

새롭게 생성된 수소는 반응 경로 내부로 다시 공급돼 외부에서 추가로 공급해야 하는 수소량을 줄였고, 그만큼 공정 전반의 에너지·자원 효율도 높아진 것으로 나타났다. 연구 결과에 따르면 촉매 성능은 500시간 동안 안정적으로 유지됐으며, 제품 단위당 폐기물 발생량은 46% 감소했다.

또한 이 공정은 증기 사용량과 폐수 발생, 이산화탄소(CO₂) 배출을 모두 줄이는 효과를 보여, 기존 석유 기반 올레핀 생산 공정을 대체할 수 있는 보다 지속가능한 옵션이 될 수 있다고 연구진은 강조했다.

연구팀은 아울러 수소 대비 일산화탄소 비율이 더 낮은 조건에서도 공정이 작동할 수 있음을 확인했다며, 이는 증기 소비를 줄이고 전반적인 CO₂ 및 폐수 배출을 줄일 수 있는 잠재력으로 이어진다고 덧붙였다.

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